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왕의 금속 - 알루미늄(Al) - 목록

조회 : 12146 | 2011-11-29

내 사전의 알루미늄
철강 다음으로 많이 사용하는 알루미늄은 매장량이 풍부하다. 식품저장용 캔, 호일, 전기재료, 자동차, 항공기 재료 등에 쓰이는 알루미늄은 그야말로 흔하디 흔한 금속인 것이다. 그러나 19세기 초 만해도 알루미늄은 금보다도 더 귀한 대접을 받았다. 특히 알루미늄의 은백색 광채는 나폴레옹 3세(1808~1873)의 마음을 사로잡았다. 그는 알루미늄 단추를 사용했으며, 자신과 신분이 높은 사람들은 ‘고급 알루미늄’ 식기를, 그 외에는 ‘평범한 은 식기’를 사용하도록 했다. 심지어 군대를 알루미늄으로 무장시키고자 알루미늄 제조법에 많은 투자를 했지만, 알루미늄을 쉽게 분리할 수 없었다. 황제의 금속, 알루미늄



보크사이트
1855년, 만국박람회에 전시된 알루미늄은 많은 이의 주목을 받았다. 알루미늄이 어떻게 이러한 관심을 받았을까? 그것은 철과는 달리 보크사이트(이 광석이 처음 발견된 프랑스 남부의 레 보(Les Baux)의 지명에서 유래한다.) 광석에서 알루미늄을 분리하는 것이 어렵기 때문이다. 이것은 알루미늄이 철보다 훨씬 더 늦게 사용하게 된 이유이기도 하다.










구글 어스로 본 호주 카펜테리아 만의 보크사이트(붉은색) 산지 보크사이트는 다양한 산화물이 섞인 혼합물로서 알루미늄은 산소와 매우 강하게 결합되어 있다. 철은 철광석에 코크스를 가해 용광로에서 녹이면 쉽게 분리되지만 같은 방법을 사용해도 보크사이트에서 알루미늄은 분리되지 않는다. 시멘트는 잘려진 돌 혹은 부서진 돌이라는 시멘텀(cementum)에서 유래한다. 시멘트는 물에 섞어 반죽했을 때 굳는 접착 재료로서 보크사이트는 시멘트의 주성분이다. 역사적으로 가장 오래된 시멘트는 석회와 석고를 섞은 혼합물로서 피라미드에 사용되었다.




세상에 이런 일이? 에루-홀 법
나폴레옹 3세가 그토록 애지중지했던 알루미늄이 지금처럼 흔하게 된 것은 1886년에 에루(1863~1914)와 홀(1863~1914)의 개발한 전기분해법 덕분이다.










에루와 홀 미국의 홀은 보크사이트를 용융시킨 후 전기분해로 알루미늄을 분리하였다. 한편, 2개월 후 프랑스의 에루도 비슷한 방법을 찾아내었다. 이들은 오랫동안 특허 소송 후 합의하였다. 특이하게도 에루와 홀은 같은 해에 태어나 같은 해에 사망하였고, 같은 해에 같은 방법으로 알루미늄을 분리하는데 성공했던 것이다. 그런데, 전기분해에서는 다른 금속이 같이 생기지 않도록 먼저 보크사이트에서 산화알루미늄만 분리해야 한다. 산화알루미늄은 강산과 강염기 모두에 녹지만, 다른 것들은 강염기에는 잘 녹지 않는다. 따라서 보크사이트를 수산화나트륨 용액에 녹여서 거른 용액을 재결정으로 산화알루미늄만 분리하는 베이어 과정(Bayer process)을 거친다.










알루미늄의 생산 또 다른 문제는 전기분해하려면 먼저 산화알루미늄을 녹여야 한다. 산화알루미늄의 녹는점은 2045 oC로 매우 높다. 어떻게 녹일까? 대개 두 가지 물질을 섞으면 녹는점이 낮아진다. 녹는점이 약 1000 oC인 빙정석과 보크사이트를 섞으면 950 oC에서 용융된다. 전기분해시 음극에서는 알루미늄 금속으로 환원되면서 바닥에 가라앉는다. 양극인 탄소 전극에서는 산소와 탄소가 반응하여 이산화탄소가 발생한다. 이후 대형 직류발전기의 발명으로 전력이 싸게 공급되면서부터 알루미늄을 널리 사용할 수 있게 된 것이다.




캔의 역사
유럽 정복을 선포한 나폴레옹에게 필요한 것은 식량의 원활한 보급이었다. 그는 식량 보급 방법을 개발하는 자에게 현상금을 걸었다. 1809년, 아뻬르(1749~1841)는 유리병에 식품을 넣고 가열한 후, 코르크 마개로 닫는 병조림으로 현상금을 받았다. 그러나 병조림은 깨지거나 마개가 터졌다. 1810년, 듀란드는 병조림 음식을 철판에 데워 먹다가 통조림의 아이디어로 ‘주석의 작은 상자(Tin Canister)라는 캔을 발명했다. 이것은 영국의 군용식량 용기로 사용되었지만, 캔 식품이 오래 보관되는 이유는 몰랐다. 파스퇴르(1822~1895)가 부패는 미생물 때문인 것을 밝혀낸 것은 한참 후인 19세기 중반이었다.










톱니바퀴와 회전 날이 달린 현대식 깡통따개와 2차대전 중에 지급된 P-51과 P-38 캔은 ‘깡통따개’가 발명되면서 본격적으로 사용되었다. 그때까지 ‘끌과 망치’를 이용했었다. 1962년, 캔을 쉽게 딸 수 있는 원 터치 캔이 개발되면서 널리 보급되었던 것이다.




재활용
보크사이트에서 알루미늄 1톤을 분리하려면 알루미늄을 재활용할 때 필요한 전력의 20배 이상 소모된다. 따라서 알루미늄은 흔한 금속이지만 재활용해야하는 것이다.





철 캔과 알루미늄 캔의 분리 철 캔과 섞인 알루미늄 캔은 자동 분리기로 분리한다. 컨베이어에 놓인 캔들이 벨트를 따라 이동할 때 알루미늄 캔은 전자석에 붙지 않기 때문에 먼저 떨어지고, 철 캔은 더 이동한 후 전자석의 성질이 사라지면 아래로 떨어진다.



알루미늄 호일
알루미늄 호일은 알루미늄 덩어리에 얇게 눌러서 펴는 압연 과정으로 만든다. 그런데 알루미늄 호일은 왜 한쪽 면만 광택이 날까? 압연 과정을 거쳐서 나오는 알루미늄의 두께는 10 μm로 매우 얇다. 따라서 호일이 끊어지지 않도록 두 장을 겹쳐서 누른다. 이 때 알루미늄과 롤이 닿은 부분은 광택이 나지만, 알루미늄끼리 닿으면 광택이 나지 않는다. 또한 누를 때에는 알루미늄과 롤이 붙지 않도록 ‘압연유’를 뿌린다. 양면에 묻은 압연유는 고온에서 열을 가해 제거한다. 알츠하이머 병은 대뇌피질의 신경세포가 죽어서 뇌가 줄어드는 병으로서 치매의 원인이 된다. 이 병은 환자의 뇌에서 발견된 알루미늄과 연관이 있다. 환자의 뇌로 들어오는 알루미늄을 막는 장벽에 이상이 있는 것이다. 철과 알루미늄은 성질이 비슷하기 때문에 알츠하이머 병 환자에게는 철분을 제거하는 약을 처방하기도 한다.




두랄루민
철과는 달리 알루미늄은 잘 녹슬지 않는다. 그 이유는 무엇일까? 알루미늄은 매우 반응성이 커서 수증기나 산소와 쉽게 반응한다. 이렇게 표면에 생긴 산화알루미늄 막은 오히려 더 치밀하기 때문에 내부의 알루미늄을 보호한다. 스테인레스나 티탄도 산화된 막이 표면을 덮어 녹이 슬지 않는 것이다. 1903년, 독일 뒤렌 사의 빌름(1869∼1937)은 구리와 마그네슘을 알루미늄에 첨가한 합금을 가열한 후 물속에서 냉각시켜 상온에 두었다. 이 합금은 며칠 후 더 단단해지는 특이한 현상을 나타냈으며 뒤렌과 알루미늄에서 두랄루민으로 명명되었다. 두랄루민은 철강의 1/3로 가볍지만 강도는 비슷하다. 두랄루민은 제1차 대전 때 런던을 공습한 체펠린 비행선에 이용되어 하늘을 나는 금속이라 불렸다. 1931년, 미국은 두랄루민에서 마그네슘을 더 넣어서 초두랄루민을 만들었다. 1936년, 일본은 더 강한 초초두랄루민을 발명했다. 오늘날 항공기 재료의 약 60%는 가벼운 알루미늄을 사용하고 있다.




루비와 에메랄드
다이아몬드는 흑연과 같은 탄소 덩어리이다. 그러나 하나는 보석, 다른 다른 하나는 연필심에 사용된다. 그렇다면 보석의 여왕 루비는 어떨까? 빨간색의 루비는 녹색의 에메랄드(녹주석(beryl, Be3Al2Si6O18)에 미량의 크로뮴이 치환된 보석, 파란색의 사파이어와 함께 빛의 3원광처럼 아름다운 빛을 발하는 보석이다. 루비(홍옥)는 알루미늄 산화물인 코런덤(강옥, Al2O3., 모스 경도 9 이며 다이아몬드 다음으로 단단하다.)에 크로뮴이 들어 있는 보석이다. 무색, 투명의 순수한 코런덤과는 달리 루비는 자외선을 흡수한 크로뮴이 빨간색의 가시광선을 내는 것이다. 또한 코런덤에 티타늄, 철 등이 있어 파란색을 띠는 보석은 사파이어(청옥)이다. 맑고 영롱한 빛을 발하는 보석 루비나 사파이어도 흔한 보크사이트와 크게 다르지 않은 것이다.










코런덤, 사파이어, 루비 다만 루비나 사파이어는 코런덤의 알루미늄 대신이 미량의 다른 금속으로 치환된 반면에, 보크사이트는 서로 다른 구조의 산화물들이 섞여있는 혼합물인 것이다.




비싼 몸, 십원
‘땅을 파 봐라, 10원짜리 동전 하나 나오나!’ 10원 동전은 별것 아니지만, 10원이라도 벌려면 노력이 필요하다는 뜻이다. 1966년, 구리(88%)와 아연(12%) 합금으로 만든 십원 동전이 첫 선을 보였다. 그러나 2006년, 십원 동전의 제조 원가는 38원이었다. 십원을 만드는 비용은 실제 가치의 약 4배인 것이다. 2007년에 발행된 십원의 조성은 구리 48%와 알루미늄 52%이며, 알루미늄 겉면에 얇은 구리판을 덧씌워 만들었다. 크기도 줄어들었기 때문에 매우 가볍다.










2007년 발행한 십원 동전




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